中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

位置:主页 > 技术与市场 >

生物芯片研究现状与市场分析

时间:2018-05-29来源:未知 点击:

生物芯片(biochip)又叫微 阵列(microarray),借鉴计算机 芯片技术,把生命医学中的各种 生物化学反应与分析过程集成 在一个芯片表面上,以实现对 DNA、RNA、多肽和蛋白质等 生物活性成分进行高通量、快速 的检测。生物芯片技术的主要特 点体现在3个方面:一是微型化, 成千上万个生化反应过程在芯片 上同时进行;二是高通量,生物 芯片通过一次检测可以给出成千 上万条信息;三是高度交叉,生 物芯片技术涉及生命科学、医 学、材料科学、信息科学等技术 的交叉与融合。该技术广泛应用 于基因组学与蛋白质组学的科学 研究、临床疾病诊断、新药研发、 司法鉴定和食品安全等领域[1]。

全球第一块生物芯片于1992年 诞生,20世纪90年代因人类基因 组计划(HGP)的实施而得到快速 发展。进入21世纪,我国在制定 科技创新与产业发展政策时,生物 芯片技术与产业得到了重视。2012 年12月,我国发布了《生物产业 发展规划》,在重点领域和主要任 务三“突破核心部件制约,促进生 物医学工程高端化发展”中明确提 到了加快发展包含生物芯片在内的 新兴技术,推动我国体外诊断产业 的发展[2]。2017年5月,我国发布 了《“十三五”生物技术创新专项 规划》,也在“颠覆性技术”专栏 中明确提及要发展微流控芯片, 推动生物检测技术向微量、痕量、 单分子、高通量等方向发展[3]。 虽然目前对该技术的产业化程度 仍存争议,但可以明确的一点是, 当前生物芯片已经有机地整合到整 个生物技术产业,成为其中有巨大 发展前景的一个分支。

1 生物芯片技术研发现状

1.1 生物芯片分类

全球首个生物芯片产品问世 虽然已有20多年的时间,但生物 芯片分类方式也没有完全统一的标 准。比较常见的有3种分类方式, 分别是按用途、作用方式和成分来 分类。按用途可分为生物分析芯片 和生物电子芯片。一般所指的生物 芯片主要为生物分析芯片;而生物 电子芯片目前在技术和应用上尚不 成熟,属于较新技术。按作用方式 可分为被动式芯片和主动式芯片。 被动式芯片即指各种微阵列芯片, 如基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片 和组织芯片等。主动式芯片是指将 生物实验中的样本处理纯化、反应标记、检测等实验步骤进行集成, 通过一步反应来完成的芯片,包 括微流体芯片(microfl uidic chip) 和缩微芯片实验室(lab on a chip)。 按芯片检测的成分则可分为基因芯 片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯 片等[4]。

1.2 生物芯片技术发展现状与趋势

采用Clarivate公司的Derwent Innovations Index数据库( 简称 DII)和Derwent Innovation分析平 台(简称DI)分别从德温特手工 代码(Manual Code)中找到“Microarrays and Biochips”( 微阵列 和生物芯片),并制订检索策略, 将与生物芯片相关的专利检出和 保存(数据检索日期为2017年12 月8日,由于专利数据公开一般滞 后18个月,所以2016年的数据仅 供参考),检索出30 137个专利族, 并通过专利文献计量分析来反映生 物芯片的技术发展现状与趋势。

1.2.1 全球生物芯片专利年度发 展趋势

1997 ~ 2016年, 全球生物 芯片公开专利数量的年度分布情 况见图1。可以看出,生物芯片 专利的公开量自2001年突然猛 增,2005年达到顶峰,专利公开 量达2315个专利族,之后呈现缓 慢下降的趋势。

其中,生物芯片领域在中国 公开的专利,检索出8418条专利, 计5 947个专利族。1998 ~ 2016年 专利公开量的年度分布情况见图 2。可以看出,除2001年公开量特 别多之外,自2003年开始呈缓慢 增长的趋势。

1.2.2 全球生物芯片专利区域分 布情况

从1997 ~ 2016年全球生物芯 片专利公开量主要国家/地区分布 情况(图3)可以看出,居前三位 的分别为美国、日本和中国,美 国专利公开量5667个专利族,日 本排名第二(5223个专利族),中 国以2706个专利族名列第三,韩 国位列第四(1230个专利族)。

  

1.2.3 全球生物芯片研发机构分 布情况

全球生物芯片相关专利研发 机构的分布情况见图4。可以看 出,专利公开量居前三位的研发机 构分别为日本的Seiko Epson Corp (SHIH-C),中国的Shanghai Biowindow Gene Dev Inc. (SHAN-N) 和Bode Gene Dev Co., Ltd. Shanghai( BODE-N), 经查询SHAN-N 和BODE-N这两家公司实际上 是一家机构,即上海博德基因开 发有限公司,为联合基因科技集 团下属企业,将两者合并处理之 后,共计2625个专利族。值得一 提的是,除了SHIH-C一家遥遥 领先外,其他研发机构的专利公 开量相差并不是太大。

在中国公开的专利研发机 构,国内的研发机构主要有上海博德基因开发有限公司、复旦大 学、浙江大学、上海博容基因开 发有限公司和博道基因技术有限 公司,列前五名。值得一提的是,前10名中有4家机构是国外机 构,其中SHIH-C的专利公开量 达422个专利族,可见其在中国 进行了一定的专利布局。

1.2.4 全球生物芯片专利技术分 布情况

对公开专利的IPC分布情况进 行分析的结果如图5。可以看出,居 前三位的类别分别为C12Q000168 (核酸检测),G01N003353(免疫检 测),G01N003700(其他生物样品 检测),专利公开量依次为7639个 专利族(占31.5%)、3088个专利 族(占12.8%),2555个专利族(占 10.6%)。

从国内外研发机构拥有的生 物芯片关键技术来看,国外如日 本的SHIH-C以生物芯片的构造、 设计与制造技术为主,技术内容 涵盖液体弹出装置、流道、墨 盒、液滴喷射头、室压力、路型 基板等;国内的主要技术涵盖核 酸检测、含多肽的医学制备、基 因编码动物蛋白检测等,检测的 应用范畴包括胚胎发育紊乱症、 胚胎发育畸形和医用DNA重组。

2 生物芯片市场分析

2.1 全球生物芯片市场概况

全球范围来看,生物芯片市 场的发展主要受生物芯片技术驱 动,因此生物芯片市场发源于美 国。在人类基因组计划实施之后, 1998年6月,美国正式宣布启动 “基因芯片计划”,共投入资金约 20亿美元,由美国健康服务部和 能源部等政府部门与私营企业合 作。1998 年12 月,Affymetrix 公司和Molecular Dynamics公司宣 布成立基因技术协会(Genetic Analysis Technology Consortium), 以形成一个统一的技术平台生产 更有效而价廉的设备。2016 年4 月,美国市场调研公司BCC Research 发布的《全球生物芯片市 场调查报告》显示,2014 年全 球生物芯片产品市场已达到39 亿美元,并预计2015 ~ 2020 年, 将以31.6%的年复合增长率快速 发展,从2015年的47亿美元,增 长到2020年的184亿美元[5]。2016 年8 月,Grand View Research 公 司预测,到2024年全球生物芯片 市场总值将达到258亿美元,其 中DNA芯片约占总值的三分之 一,其发展动力主要来源于新药 开发过程中的基因组学与蛋白质 组学的研究及相应的产品开发[6]。

作为一个典型的技术驱动型 产业,生物芯片产业已形成美国 抢滩最早、欧日紧随其后的技术 产业格局[7]。近20年来,美国的 生物芯片技术初步商业化,拥有 上千家生物芯片企业,其中约15 家在纳斯达克上市。2015 年,北 美市场约占全球总市场45%的份 额,其主要因素在于个性化药物 的快速发展,以及生物芯片在新 药开发过程中的应用[6]。2012 年, 德国政府投入巨资攻占生物芯片 技术高地,在不少方面取得了超 过美国的成果。

目前,北美地区占据了全球 生物芯片市场的主导地位,而亚 太地区自2016年起进入快速发展 阶段,预计中国和印度将成为亚 太地区增长最快的生物芯片市场。

个性化医疗、快速诊断、药 物开发和生命科学研究的兴起, 研发投入的增加,医疗保健意识 的提高,推动了全球生物芯片市 场的增长。但制造生物芯片所涉 及的高成本可能会给全球生物芯 片市场带来挑战。在全球生物芯 片市场中表现较好的企业主要有 Affymetrix公司、Illumina公司、GE Healthcare公司、Aglient公司和 Roche NimbleGen 公司等[5]。

2.2 中国生物芯片市场概况

中国生物芯片研究始于20 世纪90 年代,之前在中国还是 空白的生物芯片技术迎头赶上, 实现了从无到有的阶段性突破。 2008 年我国生物芯片市场约为1 亿美元,之后以超过20%的速度 增长,预计至2020 年市场规模 将达到9 亿美元。市场的快速发 展主要得益于基因组学与蛋白质 组学的科学研究、慢性疾病(如 癌症)的诊断、产前筛查检测、 中药物种鉴定、农作物育种、司 法鉴定、食品检测等因素[8]。

3 我国推进生物芯片产业发 展需解决的问题

我国生物芯片产业在近20 年 间,经历了一场概念热炒、投资 高潮、高潮消退的投资泡沫,已 渐渐步入轨道,但要做大做强, 在技术与市场上仍存在着一些需 要解决的问题。

3.1 芯片相关技术的集成是重点 发展方向

我国在生物芯片制作相关的 各个技术分支,已经有较好的经 验积累,有一定的国际竞争力。 目前,应着眼于各种相关技术的 整合集成,提出相应的解决方案 并进行应用,以解决检测灵敏度 较低、重复性差、分析范围较狭 窄等问题。

3.2 需求市场规模较小

生物芯片两个最主要的应用 领域,一个是基础研究及新药 研发,另一个是临床诊断。我国 在基础研究或新药研发领域投入 的力量和经费相对较小,导致生 物芯片需求量不大。并且国际芯 片产品竞争力超过国内产品,因 此国际高水平研究很少使用中 国产品。在临床诊断领域,生物 芯片与PCR和ELISA相比, 没 有绝对优势,很难在短时间内替 代PCR和ELISA。芯片的优势在 于多人多种疾病一次检测,一人 多种疾病一次检测,或者一次得 到一种疾病更多诊断信息。但是 这些优势现阶段还不能很好的体 现,或由于技术限制,或由于实 践中需求不大。同时,生物芯片 及其设备价格昂贵、操作难,而价 格实惠的国产设备还不成熟。PCR 和ELISA在临床诊断中已经占据牢 固的地位,其方法成熟,形成了标 准,操作简单,各单位都有熟练的 操作人员。因此,生物芯片技术在 我国的产业化将是一个渐进的过程。

3.3 技术与金融的结合

生物芯片是一个十分专业化 的领域。行业人员和投资者应回归 理性,认识到生物芯片是一个长期 发展的事物,不可能用短期炒作 而获得利润。如果投资者的前期 调研不够扎实,而生物芯片公司亦不充分考虑对方资金的性质和 目的,那么这种短视合作必然导 致夭折。只有建立起创新体系和 科学的创新管理,使产业、资本、 政策和创新体系良性互动,才可 能利用后发优势,使生物芯片发 挥其深远的影响力,推动我国生 物芯片技术产业走向强大。

3.4 知识产权

以生物芯片技术为核心的各 相关产业正在全球崛起,知识产权 问题是重中之重。我国应对发达国家和领先企业的专利布局开展深 入分析,促进科学界、企业界和 金融界紧密联合,形成具有可操 作性的商业运行构架,通过全球 定位布局,建立产权结构清晰的 企业,为生物芯片在中国的产业 化奠定良好基础。